Введение к работе
Актуальность работы. В связи с необходимостью решения проблем, связанных с повышением качества литого металла, вопросам модифицирования в последнее время уделяется повышенное внимание. Применение модификаторов необходимо для регулирования процессов кристаллизации расплава. Практическое использование модифицирования неразрывно связано с решением таких задач, как получение и исследование модификаторов, их компактирование, введение в расплав.
Одним из методов получения ультрадисперсных керамических порошков является плаз-мохимический метод. Введение этих частиц в материалы для измепения их свойств часто требует дополнительной активации поверхности. Кроме того, для получения ультрадисперсных частиц используется метод механохимической обработки (МО). Применение механохимических реакторов, разработанных в середине 80-х годов в Институте химии твердого тела и механохи-мии СО РАН, позволяет достигать ускорения шаров до уровня 100g и передавать через них в вещество энергию с мощностью до 100 Вт/г. Обработка в высокоэнергетических активаторах планетарно и виброцентробежного типа позволяет не только измельчать материал, но и активировать частицы порошков. Дополнительное плакирование частиц металлами позволяет получать модификаторы, хорошо смачиваемые расплавом, а, следовательно, равномерно и быстро распределяемые в объеме металла. Анализ литературных данных и результатов собственных исследований свидетельствует о том, что метод обработки, основанный на использовании новых механохимических реакторов, является перспективным для реализации высокоэффективных и экологически чистых технологий создания модификаторов для черной и цветной металлургии. Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), особенно комбинированный с методом МО, также перспективен для получения нанодисперсных частиц и модификаторов на их основе.
Выяснение влияния ультрадисперсных порошков тугоплавких материалов, полученных различными методами, на процессы кристаллизации расплава, повышение качества литого металла и получение стабильных результатов представляет собой актуальную научную и прикладную задачу.
Цель работы. Целью данной работы является повышение качества литых изделий из черных и цветных металлов и сплавов в результате воздействия ультрадисперсных частиц тугоплавких керамических материалов, полученных различными методами, на процессы кристаллизации расплавов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: - исследование порошков тугоплавких материалов, полученных различными методами (термическим (углетер-мическим)), плазмохимическим, СВС, механохимическим и комбинированными с использованием вышеназванных методов); - получение и исследование порошковых композиций модификаторов на основе ультрадисперсных порошков тугоплавких материалов; - получение и исследование компактированных модификаторов; - отработка технологии внутриформенного модифицирования чугунов (исследование способов введения модификаторов в расплав; получение образцов металлов и сплавов; исследование концентрации, состава модификаторов, условий их гомогенизации для эффективного воздействия на расплав; исследование структуры и физико-механических свойств металлов и сплавов; оценка эффективности модификаторов на основе ультрадисперсных частиц тугоплавких керамических материалов при внутриформенном модифицировании чугунов); - опробование модифицирующей способности ультрадисперсных частиц тугоплавких керамических материалов в промышленных условиях при получении черных и цветных металлов и сплавов; - изготовление готовых модифицированных изделий и тестирование их в реальных условиях эксплуатации.
Основные положення, представленные к защите: - комплекс технических и технологических решений, обеспечивающих создание новой технологии внутриформенного модифицирования чугунов; - способы получения компактированных модификаторов для внутриформенного модифицирования; - способы улучшения служебных характеристик черных и цветных металлов и сплавов с использованием ультрадисперсных частиц тугоплавких керами-
ческих материалов, полученных различными методами (экспериментальные и опытно-промышленные исследования, испытания готовых изделий в реальных условиях эксплуатации у потенциальных заказчиков).
Научная новизна работы.
-
Впервые проведены комплексные исследования по внутриформенному модифицированию чугунов модификаторами на основе ультрадисперсных частиц тугоплавких материалов, полученных термическим (углетермическим), плазмохимическим, СВС, механохимическим и комбинированными способами с использованием вышеназванных методов.
-
Выполнено сравнение механических характеристик чугунов, модифицированных ультрадисперсными частицами тугоплавких материалов, полученных с использованием вышеназванных методов, а также обработанных различными модификаторами российского производства.
-
Разработаны методы компактирования модификаторов и определены оптимальные условия получения модификаторов, эффективно воздействующих на процессы кристаллизации расплава чугуна в форме.
-
Предложен метод ввода модификаторов при внутриформенном модифицировании, усовершенствована конструкция литейной формы.
-
Установлены оптимальные соотношения технологических параметров получения образцов чугуна при внутриформенном модифицировании.
-
Проведены экспериментальные и опытно-промышленные исследования процессов модифицирования черных (различные марки чугунов, сталей) и цветных (на основе алюминия и меди) металлов и сплавов с использованием ультрадисперсных частиц тугоплавких керамических материалов, полученных различными методами.
-
Получены готовые изделия (маслоты, вкладыши для дробильного оборудования, втулки к опорным каткам к тракторам Т-35 и Т-50, втулки к роликам угольного конвейера, опорные втулки редуктора, опорные втулки для экскаватора ЭКГ-8) и проведены испытания изделий в реальных условиях эксплуатации у потенциальных заказчиков.
Практическая значимость работы.
-
Разработана методика внутриформенного модифицирования чугуна ультрадисперсными частицами тугоплавких материалов, реализация которой обеспечивает получение стабильных результатов и приводит к улучшению служебных характеристик материалов. Применение экспериментально обоснованных технических решений приводит к увеличению предела прочности чугуна на растяжение до 20%, твердости по Бринеллю до 50%, износостойкости до 69%, коррозионной стойкости до 28%.
-
Разработана методика ввода модификатора в расплав чугуна при внутриформенном модифицировании.
-
Разработана методика компактирования модификаторов с использованием пластичной связки - порошка меди и органических связок на основе метил- и карбоксиметилцеллюлозы. Получены таблетки модификаторов диаметром 0,8...25 мм с прочностью на сжатие 0,3...500 МПа.
-
Разработанные методики готовы для проведения ОКР с целью дальнейшей организации производства.
-
Исследованные модификаторы (карбонитрид титана в медно-стальной матрице, полученный термическим методом; (d-Fe, TiCxNy> SiC), полученный плазмохимическим методом; смесь карбидов титана и вольфрама, полученная методом СВС, и некоторые составы, полученные механохимическим и комбинированным методами) могут быть рекомендованы для применения.
-
Получены готовые изделия с улучшенными служебными характеристиками, снижена стоимость изделий, увеличен срок их службы.
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, наиболее полно проявился в исследованиях, посвященных отработке металлургических процессов получения расплавов металлов, отработке эффективных методик модифицирования,
анализу полученных образцов, в изготовлении различных промышленных изделий из модифицированных металлов и сплавов и тестировании полученных изделий на предприятиях потенциальных заказчиков, то есть в разработке методологии проведения экспериментов и анализе их результатов, а также в оформлении рукописей печатных работ.
Апробация работы. Работа выполнена при поддержке федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка способа получения многофункционального реагента-модификатора на основе порошков тугоплавких соединений для обработки железоуглеродистых расплавов» (ГК от 18 октября 2011 г. № 16.513.11.3131); гранта РФФИ 11-08-00814; заказного проекта СО РАН № 12.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и отраслевых научно-технических совещаниях, конференциях, симпозиумах и семинарах.
Опытные плавки и испытания изделий из модифицированных металлов и сплавов проводились на многих предприятиях России: ООО «Центролит-С», Оренбургском заводе ОЭРЗ, Новосибирском электровозоремонтном заводе (НЭРЗ), Томском заводе «Сибэлектромотор», ООО «СибДробСнаб» (г. Новосибирск), ООО ГК «Майская» (г. Магадан), ООО «Сибирская машиностроительная компания» (г. Новосибирск), ООО «СМК» (г. Томск), ООО «Сорский ГОК» (г. Абакан), ООО «Ферромолибденовый комбинат» (г. Абакан).
Достоверность полученных результатов. В ходе выполнения диссертационной работы был выполнен достаточный объем экспериментальных исследований, обеспечивающий достоверность результатов. Экспериментальные результаты имеют удовлетворительную сходимость с теоретическими данными, не противоречат исследованиям других авторов. В ходе исследования использовалось современное аналитическое оборудование.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 печатных работах, в том числе в 4 научных статьях, рекомендованных ВАК, в 10 сборниках докладов на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, в 1 сборнике статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Материал работы изложен на 186 страницах, включая 56 рисунков, 31 таблицу и Приложения.
